航空發動機點火系統的能量計算研究

劉力瑜 王新悅 楊宇鵬 孫兆榮

摘 要：針對目前航空發動機在使用過程中存在的點火不成功且難以發現的問題，根據點火系統的結構與工作原理，通過采用積分法對采集的火花電壓和放電電流信號進行分析計算，得到點火系統的點火能量，為點火系統性能測試提供一種快速有效的方法，為點火器的維修提供一種方便快捷的手段。實驗表明，積分法能更加準確的測算出點火系統在點火過程中釋放的能量，這有利于準確判斷點火系統的工作狀況，及時排除隱患；也有利于降低成本，提高經濟效益。

關鍵詞：點火系統；電容儲能；能量計算；積分法

中圖分類號：V233.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）09-0033-03

Abstract： In view of the problem that the ignition of aero-engine is unsuccessful and difficult to find， this paper is based on the structure and working principle of ignition system， and the collected spark voltage and discharge current signal are analyzed and calculated by integral method. The ignition energy of the ignition system is obtained， which provides a fast and effective method for the performance test of the ignition system and a convenient and fast method for the maintenance of the igniter. Experimental results show that the integration method can more accurately estimate the energy released in the ignition process， which is conducive to accurately judge the working status of the ignition system， timely eliminate hidden dangers， but also help to reduce costs and improve economic benefits.

Keywords： ignition system； capacitive energy storage； energy calculation； integral method

引言

目前，航空發動機在使用過程中存在著點火不成功卻難以發現的問題，外場點火系統測試只能通過目視檢測或用替代件更換原系統部件的方式實現測試及排故，這樣做不僅成本太高，而且存在較大的人為不確定因素，為飛機的安全飛行埋下隱患。為此，通過對點火系統結構與工作原理的分析研究，設計一種對點火能量進行計算的優化算法，以點火過程中的能量值為指標來判斷點火是否成功。這樣，通過將點火問題量化，可以有效地避免目前存在的問題，節省物力財力，為點火系統的性能測試提供理論支持，更為飛機的安全飛行提供有力保障。

1 航空發動機點火系統點火激勵器的結構及工作過程

根據能量變化原理的不同，點火系統可以分為電感儲能式和電容儲能式兩種。電感儲能式由電感線圈儲存能量，儲存的能量僅為幾十毫焦耳，而且放電頻率較高，不可控。而電容儲能式儲存的能量可達到十幾焦耳，且放電頻率較低，可控。因此，現代航空發動機點火系統基本采用電容儲能式，故我們此次搭建的點火激勵器是采用電容儲能式的交流高頻高壓高能點火激勵器。

航空發動機交流高頻高壓高能點火電路結構圖如上圖1所示，主要由交流升壓模塊、整流倍壓儲能模塊、放電模塊三部分構成。在點火激勵器輸入端所加的115V、400Hz的交流電經扼流圈L3后，通過升壓變壓器T1升壓，可在次級繞組L2兩端感應出高達2900V的高壓交流電，再經整流電路和倍壓電路處理后對儲能電容C2進行充電。儲能電容C2兩端的電壓持續上升，當達到放電管的閾值電壓后，放電管SG電離導通，使電容C4、高頻變壓器T2的初級線圈和地之間通過導通的放電管SG形成高頻振蕩回路，從而有高頻電流流過變壓器T2的初級線圈，在高頻變壓器T2的次級線圈上感應出的高電壓加到點火電嘴的兩個電極之間，產生強烈的火花放電，工作時產生的電火花可點燃燃燒室或氣缸內的混合可燃氣體，完成點火過程。

2 放電能量的計算

2.1 根據電容上儲存的總能量來計算放電能量

依據電容放電的原理，在不考慮外界因素對放電過程產生影響的條件下，理論計算電火花放電能量的計算式為

其中公式中：E總稱為電容C2中儲存的總能量，單位：焦耳J；C稱為總電容，單位：法拉F；U稱為充電過程結束后電容兩端的電壓，單位：福特V。由于在放電的過程中，電容不能完全將儲存的電能放盡，并且電路中還存在著能量損耗等問題，故電容中儲存的總能量要比電火花放電所釋放的真實能量要大[1]。

通過借助Micro_cap軟件對本實驗所用的電路進行仿真，可得出充電結束后電容C2的電壓大小，代入上式（1）可計算出放電過程中電容釋放的能量大小約為E總=18J。

2.2 電火花放電過程中實際放電能量的計算

如上所述，一般而言，電容在放電過程中不可避免地會存在有能量損耗的問題，假設忽略外界因素對火花放電過程產生的影響，而只考慮放電過程結束后電容中殘余的能量，則通過計算可得到電火花放電的能量，其計算公式[2][3]為

其中公式中：E1稱為電容在放電過程結束后殘余的能量，單位：焦耳J；Q2稱為電容在放電過程結束后殘余的電荷量，單位：庫倫C；Q22稱為在放電過程中電容轉移的電荷量，單位：庫倫C；Q21稱為在電容中儲存的總的電荷量，單位：庫倫C；i（t）稱為電容在放電過程中放電電路中電流的瞬時值，單位：安培A；E2稱在該假設條件下電火花的實際放電能量，單位：焦耳J。

通過分析放電管被擊穿后電容的放電過程，并結合基爾霍夫電流定律（KCL）和基爾霍夫電壓定律（KVL）可知，在放電管擊穿的瞬間電路中的各物理量滿足下式

公式中：uc2（t）表示放電過程中電容C2兩端電壓的瞬時值，單位：福特V；i2（t）表示流過電容C2的電流瞬時值，單位：安培A； L5表示變壓器T2的初級線圈，單位：亨特H；M表示變壓器T2兩線圈間的互感系數，單位：亨特H；uc4（t）表示電容C4兩端的電壓瞬時值，單位：福特V；i2（t）表示流過電容C4的電流瞬時值，單位：安培A；L4表示變壓器T2的次級線圈，單位：亨特H；rg（t）表示火花動態電阻，單位：歐姆Ω。

借助MALTAB軟件，結合式（5）和（6）對火花放電過程中電流數據進行仿真，仿真結果如下圖2所示。

結合仿真結果，根據式（2）（3）（4），即可求得電火花放電過程中實際釋放的能量E2=6.48J。

此小節在第一小節的基礎上更加詳細地分析了點火過程中的能量變化，所得的結果也更接近于實際值，且由式（4）可知，E1即為兩種計算方法得到的電火花能量的差值，由此可求得電容的能量損耗率，即電容中殘存的能量占其儲存的總能量的百分比φ1=×100%=64%。可見，電容用于放電的能量不足其儲存能量的一半，能量利用率較低。

2.3 積分法求放電全過程的能量

為了能夠更準確的測量出放電過程釋放的能量，參照國標GB/T1994[4]、歐盟標準EN13821：2002[5]、美國材料試驗協會標準E2019-03[6]中提出的方法，通過對點火電嘴兩端的電流和電壓乘積的積分來直接計算整個過程中的放電能量，計算公式為

公式中：E稱為電火花有效能量，單位：焦耳J；usp（t）稱為火花放電時點火電嘴兩端電壓，單位：伏特V；t稱為從電容剛剛開始放電到結束放電時所需的總時間，單位：秒s。

根據式（7），利用MALTAB仿真，可得出火花放電時能量變化情況以及釋放的能量值E=9.049J，仿真結果如圖3所示。

由于積分法全面考慮了電容中的殘存能量和電路中的損耗能量，而且計算公式中所用的電壓值和電流值均能通過實驗測量而準確得到，因此，積分法求得的能量值與火花放電能量的真實值更接近，誤差更小。采用積分法求得的放電全過程的能量E與上述第二步計算得到的電火花能量E2的差值即為電路中損耗能量E損，即E損=E-E2=2.569J。電路的能量損耗率，即電路中損耗的能量占電容儲存的總能量的百分比φ2=×100%=14.3%。

3 結束語

本實驗的目的在于提供一種航空發動機點火系統能量計算的方法，為點火系統的性能測試提供技術支持。本文根據點火系統的工作及結構原理，設計采用航空發動機實際使用的交流高頻高壓高能點火激勵器為實驗電路，分析研究了在放電過程中火花放電的能量變化情況，并借助Micro_cap與MATLAB軟件進行了波形與數值的仿真。通過查閱相關文獻資料[7][8]，采用積分法分三步來逐步求解計算點火過程中釋放的能量值及對應的損耗大小。由于放電過程中高電壓、大電流的影響，電路損耗較大而用于實際放電的能量較少。通過采集點火過程中電壓、電流等參數的值，能夠快速準確的測量出火花放電的能量，判斷點火成功與否，大大提高工作的效率與準確性，為點火器的維修診斷提供技術理論支持。

參考文獻：

[1]Eckhoff R K， Ngo M， Olsen W. On the minimum ignition energy（MIE） for propane/air[J]. Journal of Hazardous Materials， 2010，175（12）： 293-297.

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[3]Ngo M. Determination of The minimum ignition energy of premixed propane/air[D].Bergen， Norway： University of Bergen，2009.

[4]GB/T 16428-1996，粉塵云最小著火能測定方法[S].國家技術監督局，1996.

[5]European Standard EN 13821：2002 Potentially explosive atmospheres， explosion prevention and protection， determination of minimum ignition energy of dust/air mixtures[S]. Comite Europeen de Normalisation（CEN），2002.

[6]Standards： E2019-02 Standard test method for minimum ignition energy of a dust cloud in air[S].American Society for Testing and Materials（ASTM），2002.

[7]劉慶明，汪建平，李磊，等.電火花放電能量及其損耗的計算[J].高壓電技術，2014，40（4）：1255-1260.

[8]李宏光.航空點火器故障機理及測試方法研究[D].中國民航大學，2015.